Атанов И.В. Автоматизированный электропривод - файл n1.doc

приобрести
Атанов И.В. Автоматизированный электропривод
скачать (2945.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2946kb.18.09.2012 11:46скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Лекция 11


Замкнутые схемы управления АЭП с ДПТ
Вопросы

1) Замкнутые схемы управления электроприводов с двигателями постоянного тока по скорости

2) Регулирование (ограничение) тока и момента двигателя постоянного тока с помощью нелинейной отрицательной обратной связи по току

3) Замкнутая схема электрического привода с двигателями постоянного тока с обратными связями по скорости и току

4) Замкнутые электропривода с подчиненным регулированием координат



  1. Замкнутые схемы управления электроприводов с

двигателями постоянного тока по скорости
Характеристики разомкнутых ЭП, построенных по системе «преобразователь—двигатель» (П — Д), имеют относительно невысокую жесткость из-за влияния внутреннего сопротивления преобразователя. Для получения значительных диапазонов и высокой точности регулирования скорости требуется иметь более жесткие характеристики, которые можно получить лишь в замкнутой системе П—Д. Кроме того, характеристики разомкнутой системы не обеспечивают точного регулирования (или ограничения) тока и момента, что также требует перехода к замкнутой системе.

Рисунок 1 - Схема замкнутой системы П—Д с отрицательной обратной связью по скорости

Замкнутая система П—Д с отрицательной обратной связью по скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Основу структурной схемы составляет разомкнутая схема П — Д. На валу ДПТ находится датчик скорости — тахогенератор (ТГ) (рис. 1), выходное напряжение которого пропорциональное скорости ДПТ и является сигналом обратной связи. Коэффициент пропорциональности носит название коэффициента обратной связи по скорости и может регулироваться за счет изменения тока возбуждения ТГ .

Сигнал обратной связи Uтг=??=Uо.с сравнивается с задающим сигналом скорости Uз.с , и их разность в виде сигнала рассогласования (ошибки)

Uвх=Uз.с- ??

подается на вход дополнительного усилителя У, который с коэффициентом kу усиливает сигнал рассогласования Uвх и подает его в виде сигнала управления Uу на вход преобразователя П.



Рисунок 2 – Механические характеристики ДПТ в замкнутой системе регулирования с отрицательной обратной связью (ООС) по скорости
Жесткость получаемых характеристик в замкнутой системе больше жесткости характеристик в разомкнутой системе (рисунок 2). Сами характеристики, представляют собой прямые параллельные линии 2, 4, 5, расположение которых определяется уровнем задающего сигнала по скорости и соответственно скоростью холостого хода ?0. Здесь же для сравнения приведена характеристика ДПТ в разомкнутой (прямая 3) системе.

В замкнутой системе может быть получена абсолютно жесткая характеристика, которая изображена на рисунке 2 в виде штриховой линии 1.

Рассмотрим физическую сторону процесса регулирования скорости в данной системе. Предположим, что ДПТ работает под нагрузкой в установившемся режиме и по каким-то причинам увеличился момент нагрузки Мс. Так как развиваемый ДПТ момент стал меньше момента нагрузки, его скорость начнет снижаться и соответственно будет снижаться сигнал обратной связи по скорости. Это, в свою очередь, вызовет увеличение сигналов рассогласования Uвх и управления Uy и приведет к повышению ЭДС преобразователя, а следовательно, напряжения и скорости ДПТ.

При уменьшении момента нагрузки обратная связь действует в другом направлении, приводя к снижению ЭДС преобразователя. Таким образом, благодаря наличию обратной связи осуществляется автоматическое регулирование ЭДС преобразователя и тем самым подводимого к ДПТ напряжения, за счет чего получаются более жесткие характеристики ЭП. В разомкнутой системе при изменении момента нагрузки ЭДС преобразователя не изменяется, в результате чего жесткость характеристик электропривода оказывается меньше.

Для получения жестких характеристик в системе П — Д кроме обратной связи по скорости используются также отрицательная обратная связь по напряжению и положительная обратная связь по току двигателя и их сочетания.
2 Регулирование (ограничение) тока и момента двигателя постоянного тока с помощью нелинейной отрицательной обратной связи по току
В качестве датчика тока (рис. 3) в этой системе может быть использован шунт с сопротивлением Rш, падение напряжения на котором пропорционально току якоря. В результате сигнал обратной связи по току

Uо.т=I,

где  — коэффициент обратной связи по току.

Отметим, что в качестве резистора RШ часто используется обмотка дополнительных полюсов и компенсационная обмотка двигателя.

Рисунок 3 - Схема замкнутой системы П—Д с нелинейной отрицательной обратной связью по току
Сигнал обратной связи Uо.т поступает на узел токоограничения УТО, называемый также узлом токовой отсечки, вместе с сигналом задания тока Uз.т . Этот сигнал определяет уровень тока отсечки Iотс, с которого начинается регулирование (ограничение) тока.

Работа УТО в соответствии с его характеристикой Uо.т.=f(I) происходит следующим образом (рис. 4).



Рисунок 4 – Механические характеристики замкнутой системы

П—Д с нелинейной отрицательной обратной связью по току
При токе в якоре, меньшем заданного тока отсечки, сигнал обратной связи на выходе УТО равен нулю. Другими словами, ЭП в диапазоне тока 0...Iотс является разомкнутым и имеет характеристики, изображенные на рисунке 4, в зоне 1.

При токе, больше тока отсечки на выходе УТО появляется сигнал отрицательной обратной связи Uо.т=I ЭП становится замкнутым и начинает работать в зоне 2 . Для пояснения вида характеристик ЭП в этой зоне запишем выражение для сигнала рассогласования

Uвх=Uз.с-I.

Из выражения видно, что при увеличении тока I сигнал Uвх уменьшается, что вызовет уменьшение сигнала Uy и Еп. Это приведет к уменьшению напряжения на двигателе U и соответствующему снижению тока в якоре двигателя. Характеристики двигателя становятся крутопадающими (мягкими), что и отражает эффект регулирования (ограничения) тока и соответственно момента. При увеличении коэффициента усиления системы характеристики в зоне 2 все ближе приближаются к вертикальным линиям. Уровень ограничения тока определяется задающим сигналом (уставкой) Uз.т.



  1. Замкнутая схема электрического привода с двигателями постоянного тока с обратными связями по скорости и току


Для получения жестких характеристик ЭП, необходимых для регулирования скорости, и мягких характеристик, требуемых для ограничения тока и момента, т. е. при регулировании двух (или более) координат, применяются различные сочетания обратных связей. В схеме ЭП с нелинейными обратными связями по скорости и току (рис. 5) для обеспечения нелинейности цепей обратных связей использованы рассмотренный ранее узел УТО и узел ограничения скорости УСО, характеристики которых показаны внутри соответствующих условных изображений. Приведенная схема соответствует структуре с общим усилителем и нелинейными обратными связями.

Рисунок 5 - Схема и характеристики замкнутой системы П — Д с обратными связями по скорости и току


В зоне 1 в диапазоне токов 0...Iотс действует только обратная связь по скорости, обеспечивая жесткие характеристики ЭП. В зоне 2 вступает в действие обратная связь по току и характеристики становятся мягче. При дальнейшем увеличении тока и уменьшении скорости ниже скорости отсечки ?отс перестает действовать обратная связь по скорости и за счет действия связи по току характеристики становятся еще мягче (зона 3), обеспечивая требуемое ограничение тока и момента.

После формирования требуемых статических характеристик в замкнутом ЭП, построенном по схеме с общим усилителем, может оказаться, что его динамические характеристики неприемлемы — движение в переходных процессах оказывается или неустойчивым, или оно характеризуется перерегулированием и колебаниями, или значительным временем протекания. В этих случаях требуется осуществление коррекции АЭП.

Сущность коррекции динамических характеристик АЭП заключается в том, что в его схему включаются дополнительные (корректирующие) устройства, позволяющие нужным образом изменять эти характеристики. Определение схемы (структуры), параметров и места включения корректирующих устройств или, как говорят, их синтез, производится по заданным критериям качества переходных процессов методами, разработанными в теории автоматического регулирования в ЭП.



  1. Замкнутые электропривода с подчиненным регулированием координат


Эффективное и качественное регулирование координат в системе П — Д обеспечивает принцип подчиненного регулирования. Этот принцип предусматривает регулирование каждой координаты с помощью своего отдельного регулятора и соответствующей обратной связи. Тем самым, регулирование каждой координаты происходит в своем замкнутом контуре и требуемые характеристики ЭП в статике и динамике могут быть получены за счет выбора схемы и параметров регулятора этой координаты и цепи ее обратной связи.

Управление внутренним контуром с помощью выходного сигнала внешнего контура определяет еще одно ценное свойство таких схем. Оно заключается в возможности простыми средствами ограничивать любую регулируемую координату, например ток и момент, на заданном уровне. Для этого требуется всего лишь ограничить задающий сигнал, поступающий с внешнего контура.

Рассмотрим ЭП (рис. 6) с подчиненным регулированием, выходной регулируемой координатой которого является скорость. Управляющая часть схемы состоит из двух замкнутых контуров регулирования тока (момента), содержащий регулятор тока РТ и датчик тока ДТ, и регулирования скорости, содержащий регулятор скорости PC и датчик скорости (тахогенератор) ТГ.

Регуляторы тока и скорости в большинстве современных схем ЭП этого типа выполняются на базе операционных усилителей (ОУ). Включение в цепи задающего сигнала скорости Uз.с регулятора скорости и его обратной связи (резисторов R1 и Rо.с1) обеспечивает изменение (усиление или ослабление) этого сигнала с коэффициентом kl = Rо.с1/R1. Аналогично, изменение сигнала обратной связи по скорости Uо.с происходит с коэффициентом k2=Rо.с1/R2. Такой регулятор получил название пропорционального (П) регулятора скорости.

При включении в цепи ОУ конденсаторов (реактивных электрических элементов) его функциональные возможности по преобразованию электрических сигналов становятся шире.



Рисунок 6 - Схема ЭП с подчиненным регулированием координат
Так, схема регулятора тока с включением в цепь обратной связи конденсатора Со.с последовательно с резистором Rо.с2 позволяет получить сигнал на выходе РТ в виде суммы двух составляющих (пропорциональную и интегральную). В этом случае имеем пропорционально-интегральный (П-И) регулятор.

Как уже отмечалось, схема подчиненного регулирования координат позволяет простыми средствами ограничивать координаты ЭП на заданном уровне. В схеме для ограничения тока и момента в цепь обратной связи PC включены стабилитроны VDI и VD2. В результате этого выходное напряжение PC, являющееся задающим сигналом (уставкой) тока Uз.т, ограничивается и тем самым ток и момент двигателя не могут превзойти заданного уровня.

Отметим, что в силу своих больших функциональных возможностей, схемы с подчиненным регулированием координат нашли очень широкое распространение в регулируемом ЭП постоянного тока.
ЛЕКЦИЯ 12

Замкнутые схемы управления электроприводов с

двигателями переменного тока
Вопросы

  1. Замкнутая схема управления асинхронного электропривода, выполненного по системе «тиристорный регулятор напряжения—асинхронный двигатель» (ТРН—АД)

  2. Замкнутый электрический привод с частотным управлением асинхронного двигателя

  3. Замкнутая схема импульсного регулирования скорости асинхронного двигателя с помощью резистора в цепи ротора


По исторически сложившейся тенденции регулируемый ЭП строился главным образом с использованием ДПТ. В последние годы в связи с появлением разнообразных средств управления регулируемый ЭП переменного тока начал быстро вытеснять АЭП с ДПТ.
1 Замкнутая схема управления асинхронного электропривода, выполненного по системе «тиристорный регулятор напряжения—асинхронный двигатель» (ТРН—АД)
Рассмотрим схему регулирования скорости АД с фазным ротором с использованием обратной связи по его скорости (рис.1,а). Между сетью и статором АД включены три пары встречно-параллельно соединенных тиристоров VS1 — VS6, образующих силовую часть ТРН. Управляющие электроды тиристоров подсоединены к выходам системы импульсно-фазового управления (СИФУ), которая распределяет управляющие импульсы на все тиристоры и осуществляет их сдвиг в зависимости от сигнала управления Uy. К валу АД подсоединен тахогенератор ТГ. Его ЭДС Етг сравнивается с задающим напряжением Uз.с, снимаемым с задающего потенциометра скорости ЗП, причем эти напряжения включены навстречу друг другу. Разность напряжений U3.C и Егг, равная напряжению управления

Uу=Uз.с-Eтг , (1)

поступает на вход СИФУ.

При увеличении этого сигнала угол управления тиристорами уменьшается, а подаваемое на АД напряжение увеличивается и наоборот. В цепь ротора АД постоянно включен добавочный резистор R, наличие которого позволяет расширить диапазон регулирования скорости и облегчить тепловой режим АД при его работе на пониженных скоростях.

Рассмотрим работу ЭП при изменении момента нагрузки Мс на валу АД и постоянном задании скорости сигналом U3.С2. Допустим также, что в исходном положении АД работал в точке 1 при моменте нагрузки MС1 (рис. 1,б), а затем произошло его увеличение до значения МС2.

При увеличении нагрузки на валу АД его скорость начнет снижаться, соответственно начнет уменьшаться и ЭДС тахогенератора ЕТГ. Уменьшение Етг вызывает согласно (1) увеличение напряжения управления, что приведет к уменьшению угла отпирания тиристоров и увеличению тем самым подаваемого на АД напряжения.



а)


Рисунок 1 - Схема (а) замкнутой системы ТРН—АД и механические характеристики (б)
Момент АД будет увеличиваться и в точке 2 сравняется с МС2. Таким образом, увеличение момента нагрузки привело к небольшому снижению скорости АД, т. е., другими словами, его характеристики стали жесткими.

При уменьшении момента нагрузки Мс будет автоматически происходить снижение напряжения на АД и тем самым поддержание его скорости вращения на заданном уровне.

Изменяя с помощью потенциометра значение задающего напряжения U3.С, можно получить ряд механических характеристик электропривода с относительно высокой жесткостью и необходимой перегрузочной способностью АД.
2 Замкнутый электрический привод с частотным управлением асинхронного двигателя
Примером замкнутого ЭП переменного тока может служить серия ЭКТ и ее модернизация ЭКТ2. Эти ЭП обеспечивают регулирование скорости, тока и момента трехфазных АД с короткозамкнутым ротором за счет изменения частоты и величины подводимого к нему напряжения. Упрощенная функциональная схема этого ЭП в однолинейном исполнении приведена на рисунке 2, а.

В качестве силового преобразователя в ЭП используется тиристорный преобразователь частоты со звеном постоянного тока, состоящий из управляемого выпрямителя (УВ) и инвертора напряжения (ИН) со своими схемами управления СУВ и СУИ. Между УВ и ИН включен силовой фильтр Ф, обеспечивающий фильтрацию выходного напряжения и циркуляцию реактивной мощности в силовой части схемы.

Схема управления ЭП построена по принципу подчиненного регулирования координат и имеет два контура — внутренний (тока) и внешний (напряжения). Регулирование этих координат осуществляется пропорционально-интегральными регуляторами тока РТ и напряжения РН, по сигналам датчиков тока ДТ и напряжения ДН. При частотах ниже номинальной схема управления поддерживает отношение напряжения к частоте постоянным, а при частотах выше номинальной напряжение остается неизменным, что обеспечивается усилителем — ограничителем УО.

Преобразователь частоты обеспечивает рабочие диапазоны изменения частоты (5... 80) Гц при номинальной частоте 50 Гц и (15...240) Гц при номинальной частоте 200 Гц. Диапазон регулирования напряжения составляет (0... 380) В. Серия ЭКТ2 выпускается на мощности от 16,5 до 263,5 кВт. КПД этих ЭП лежит в пределах (85...96)%.

Примерный вид механических характеристик ЭП при различных сигналах задания скорости приведены на рисунке 2, б.

ЭП этой серии могут обеспечивать торможение с рекуперацией энергии в сеть. В этом случае силовая часть ЭП дополняется ведомым сетью инвертором, а в обозначении ЭП появляется буква Р (ЭКТР и ЭКТ2Р).




а)





б)

Рисунок 2 - Схема (а) замкнутого ЭП с частотным управлением АД и механические характеристики (б)

3 Замкнутая схема импульсного регулирования скорости асинхронного двигателя с помощью резистора в цепи ротора
В схеме ЭП (рис.3) с импульсным регулированием сопротивления в цепи выпрямленного тока ротора для получения жестких характеристик использована отрицательная обратная связь по скорости двигателя.

В роторную цепь АД включен неуправляемый трехфазный выпрямитель В, к выходу которого подключен резистор R.

Рисунок 3 – Замкнутая схема импульсного регулирования скорости АД с помощью резистора в цепи ротора
Параллельно резистору включен управляемый ключ К (коммутатор).

Управление ключом происходит от широтно-импульсного модулятора ШИМ, на вход которого поступают сигналы задания U3.C и обратной связи Uo.c по скорости.

При поступлении на вход ШИМ сигнала ошибки Uy = UЗ.С – UОС он начинает генерировать импульсы управления. Эти импульсы с помощью схемы управления ключом СУК распределяются по тиристорам ключа и вызывают периодическое включение и закорачивание резистора R2 .

Принцип получения жестких характеристик ЭП состоит в следующем. Допустим, что АД работает в установившемся режиме при каком-то заполнении ключа К, чему соответствует эквивалентное сопротивление цепи ротора.

Пусть по каким-то причинам произошло увеличение момента нагрузки АД, в результате чего начнет снижаться его скорость. Тогда сигнал управления Uy начнет повышаться, что вызовет увеличение заполнения работы ключа К и уменьшение тем самым эквивалентного сопротивления в цепи ротора. Это, в свою очередь, приведет к увеличению тока в роторе и момента АД и прекращению снижения скорости, что соответствует жестким характеристикам ЭП. В схеме может быть достигнуто и регулирование (ограничение) тока и момента, для чего она должна быть дополнена контуром регулирования тока.


ЛЕКЦИЯ 13

Электромашинные преобразователи частоты
Вопросы

  1. Законы частотного регулирования

  2. Электромашинные преобразователи частоты с использованием синхронного генератора

  3. Электромашинный асинхронный преобразователь частоты

  4. Вентильно-электромашинный преобразователь частоты




    1. Законы частотного регулирования


Частотное регулирование скорости значительно расширяет возможности асинхронных электроприводов в различных отрас­лях промышленности и сельского хозяйства.

Возможность изменения скорости АД при регулировании частоты f1 следует непосредственно из выражения ?o=2? f1 . Из которого видно, что синхронная скорость АД прямо пропор­циональна частоте питающего напряжения. При регулировании частоты возникает также необходимость регулирования напряже­ния источника питания. Действительно, ЭДС обмотки статора АД пропорциональна частоте и потоку

Е1=kФf1.

Из приведенного выражения следует, что при неизменном напряжении источника питания U1 и регулировании его частоты меняется магнитный поток АД. В частности, уменьшение час­тоты f1 приводит к возрастанию потока и, как следствие, к на­сыщению машины и увеличению тока намагничивания, что связано с ухудшением энергетических показателей двигателя, а в ряде случаев и к его недопустимому нагреву. Увеличение частоты f1 приводит к снижению потока двигателя, что при постоянном моменте нагрузки на валу в соответствия с выражением М= kФI2cos?2 приводит к возрастанию тока ротора, т.е. к перегрузке его обмоток по току при недоиспользованной стали. Кроме |того, с этим связано снижение максимального момента и перегрузочной способности двигателя.

Для наилучшего использования АД при регулировании ско­рости изменением частоты необходимо регулировать напряжение, одновременно в функции частоты и нагрузки.

Обычно при регулировании выше основной скорости частота источника питания превышает номинальную не более чем в 1,5 - 2 раза. Указанное ограничение обусловлено прежде всего прочностью крепления обмотки ротора.

Регулирование скорости вниз от основной, как правило, осу­ществляется в диапазоне 10 ч 15. Нижний предел частоты ограни­чен сложностью реализации источника питания с низкой часто­той, возможностью неравномерности вращения и рядом других факторов. Таким образом, частотное регулирование скорости АД может осуществляться в диапазоне 20 ч 30. Из всего многообразия зависимостей Мс(?) в теории элек­тропривода обычно рассматриваются три наиболее часто встре­чающиеся типа статических нагрузок и закона частотного регулирования (рис. 1):

1) момент статической нагрузки не зависит от скорости

x=0; Mc=const; закон - (U1/f1) =const;

2) при регулировании скорости мощность на валу остается

постоянной

Pc=const; x= -1; закон - ;

3) идеализированная вентиляторная нагрузка

x=2; закон - (U1/f12)=const.


а)



б)





в)


Рисунок 1 - Механические характеристики АД при частотном регулировании скорости: а) при Mc=const; б) при Pc=const; в) при вентиляторной нагрузке


    1. Электромашинные преобразователи частоты с

использованием синхронного генератора
Преобра­зователи частоты можно разделить на электромашинные и вентильные.

Принципиальная схема электромашинного преобразо­вателя с промежуточным звеном постоянного тока, в кото­ром используется синхронный генератор, показана на рисунке 2. Преобразователь состоит из агрегата постоян­ной скорости (М1,G1), предназначенного для преобразова­ния переменного тока сетевого напряжения и неизменной частоты в регулируемое постоянное напряжение, которое зависит от тока возбуждения генератора постоянного тока G1. Двигатель постоянного тока М2 агрегата переменной скорости получает питание от генератора G1. При измене­нии напряжения на выводах генератора G1 (с помощью резистора R1) плавно регули­руется угловая скорость двигателя М2 и одновременно уг­ловая скорость синхронного генератора G2, что позволяет регулировать частоту выходного тока G2. Напряжение на выходе G2 можно регулировать током возбуждения синхронного генератора с помощью R3.



Рисунок 2 – Принципиальная схема электромашинного преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока с использованием синхронного генератора
От синхронного генератора G2, являющегося источни­ком напряжения с переменной частотой и амплитудой, пи­тается один или группа асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором МЗ — М5. Меняя направление тока возбуждения генератора постоянного тока G1, можно изме­нять направление вращения асинхронных двигателей. При неизменном токе возбуждения синхронного генератора G2 и двигателя постоянного тока М2, меняя его угловую ско­рость, можно автоматически регулировать выходное напря­жение по закону U2/f2=const. В данном случае, со снижением частоты снижается перегру­зочная способность асинхронных двигателей и поэтому диапазон регулирования при постоянном моменте нагрузки заметно уменьшается. Больший диапазон регулирования с обеспечением необходимой перегрузочной способности (по отношению к статическому моменту нагрузки) может быть получен при вентиляторной нагрузке.

Независимо от частоты (угловой скорости) синхронного генератора G2 амплитуда напряжения на его выходе может регулироваться только вниз от номинального значения.

Если мощность, потребляемая асинхронными двигате­лями от источника регулируемой частоты, равна Рном, то при пренебрежении потерями в машинах общая установлен­ная мощность преобразователи частоты составит .

С учетом потерь энергии в машинах преобразователя частоты его установленная мощность будет превышать че­тырехкратное значение установленной мощности нагрузки, что является недостатком электромашинного преобразова­теля частоты. Другим его недостатком является низкий КПД, определяемый произведением КПД отдельных ма­шин. Если, например, КПД каждой машины при полной нагрузке принять равным 0,9, то номинальный КПД преоб­разователя составит 0,94 = 0,66. С уменьшением нагрузки и при регулировании угловой скорости двигателей МЗ — М5 вниз от основной КПД становится еще меньше.

Регулирование частоты связано с преодолением значи­тельной механической и электромагнитной инерционности, которой обладает электромашинный преобразователь.


    1. Электромашинный асинхронный преобразователь частоты


В схемах электромашинного преобразователя частоты могут быть использованы в качестве основного преобразо­вателя обычные асинхронные машины с фазным ротором в режиме асинхронного преобразователя частоты. Одна из таких схем с асинхронным преобразователем частоты АПЧ приведена на рисунке 3. Здесь статор АПЧ присоединен к сети переменного тока через автотрансформатор АТ, позволяющий независимо регулировать на входе (и выходе) АПЧ амплитуду напряжения. Ротор АПЧ механически свя­зан с якорем двигателя М2, угловая скорость которого регулируется по системе Г—Д так же, как и в предыду­щей схеме с синхронным генератором. Вторичная (ротор­ная) цепь АПЧ служит источником напряжений регулируе­мой частоты и амплитуды.

Частота на выходе АПЧ равна

f2=f1±fМ2,

где fМ2= ?р/2?; ? — скорость двигателя М2; f1 — частота напряжения питания статора, принятая равной частоте питающей сети.

Рисунок 3 – Схема с асинхронным преобразователем частоты
Знак плюс относится к случаю, когда ротор вращается против поля статора, а знак минус—согласно с полем статора. Следовательно, при вращении ротора против поля частота f2 > f1 согласно с полем f2 < f1. При неподвижном состоянии ротора АПЧ частота f2 = f1.

Энергия, передаваемая АПЧ нагрузке, при вращения против поля складывается из механической энергии, поступающей с вала двигателя М2, и электрической энергии, потребляемой АПЧ со стороны автотрансформатора АТ. При вращении по полю электрическая энергия, поступаю­щая в статор АПЧ, частично передается нагрузке, а часть — двигателю М2, в этом случае работающему в генераторном режиме. Эта часть энергии после преобразований возвра­щается о сеть с помощью машины М1.

Если, например, принять частоту на выходе АПЧ f2 = 100 Гц, а частоту питания f1 = 50 Гц, то активная мощ­ность Р2 составит только 50 % установленной мощности нагрузки, а через двигатель М2 будет подводиться также 50 % Р?. Таким образом, при указанном соотношении ча­стот установленная мощность машин системы Г—Д окажется вдвое меньше, чем в случае электромашинного преобразо­вателя с синхронным генератором. Раздельное регулирова­ние напряжения с помощью автотрансформатора АТ дает возможность (ограничиваемую насыщением стали АПЧ) устанавливать требуемое соотношение между U2 и f2.

С возрастанием выходной частоты АПЧ установленная мощность преобразовательного устройства увеличивается.

Электромашинные преобразователи частоты с АПЧ при­меняются обычно для получения частот, превышающих частоту питающей сети, когда необходимо регулировать угловую скорость большого числа согласованно работаю­щих асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.


    1. Вентильно-электромашинный преобразователь частоты


Схема вентильно-электромашинного преобразователя ча­стоты с синхронным генератором (вместо него может быть использован и АПЧ) приведена на рисунке 4. Здесь вращаю­щийся преобразовательный агрегат постоянной скорости заменен статическим управляемым преобразователем (вы­прямителем) УП, собранным, например, на тиристорах. От управляемого выпрямителя питается двигатель М1 агрегата переменной скорости. В данном случае несколько повышается КПД преобразователя частоты ПЧ, сокраща­ются его габариты.

Рисунок 4 – Схема вентильно-электромашинного преобразователя частоты с синхронным генератором
Однако остаются такие недостатки, как невысокая надежность, необходимость в использова­нии, кроме УП двух машин (двигателя М1 и генератора G), значительная инерционность привода, связанная с изменением угловой скорости агрегата переменной скорости при изменении выходной частоты.

ЛЕКЦИЯ 14

Статические преобразователи частоты
Вопросы

  1. Преобразователи частоты с непосредственной связью

  2. Статический преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока

  3. Преобразователь частоты с инвертором, работающим по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ)




      1. Преобразователи частоты с непосредственной связью


Недостатки электромашинных преобразователей и развитие электронной базы привели к созданию статических преобразователей на основе использования тиристоров или транзисторов.

По структуре схемы статических преобразователей ча­стоты сходны с аналогичными схемами электромашинных преобразователей и могут быть представлены двумя основ­ными классами: с непосредственной связью и с проме­жуточным звеном постоянного тока.

Преобразователь с непосредственной связью предназна­чен для преобразования высокой частоты в низкую и состоит из 18 тиристоров, объединенных во встречно-параллельные группы с раздельным управлением (рис. 1). В основе преобразователя лежит трехфазная нулевая схема выпрям­ления; каждая фаза преобразователя состоит из двух та­ких встречно включенных выпрямителей. Группу из трех вентилей, имеющих общий катод, называют положительной или выпрямительной, а группу с общим анодом — отрица­тельной или инверторной. Вентильные группы могут управ­ляться раздельно либо совместно.

Во избежание короткого замыкания управляющие им­пульсы при раздельном управлении должны подаваться на тиристоры одной из вентильных групп, в соответствии с на­правлением тока в нагрузке. Для обеспечения раздельной работы применяется специальное логическое устройство, исключающее возможность прохождения тока в одной группе в то время, когда ток проходит в другой группе.

В преобразователях с совместной работой вентильных групп необходимо включение дополнительных реакторов, ограничивающих уравнительный ток между вентилями каждой группы, а углы управления положительной, и отри­цательной групп изменяются по определенному закону, исключающему появление постоянной составляющей урав­нительного тока. Преобразователи с совместным управле­нием работой вентильных групп обладают большой установ­ленной мощностью силовых элементов.


Рисунок 1 - Преобразователь частоты с непосредственной связью
В течение одного полупериода выходного напряжения преобразователя пропускают ток выпрямительные группы, а в течение другого — инверторные. Выходное напряжение состоит из отрезков волн напряжения питающей сети. На рисунке 2 показана кривая выходного напряжения при не­изменном угле включения вентилей ? = 0.



Рисунок 2 - Форма выходного напряжения трехфазного преобразова­теля частоты с непосредственной связью
К достоинствам этого типа преобразователей можно отнести: 1) однократное преобразование энергии и, следо­вательно, высокий КПД (около 0,97—0,98); 2) возможность независимого регулирования амплитуды напряжения на вы­ходе от частоты; 3) свободный обмен реактивной и активной энергией из сети к двигателю и обратно; 4) отсутствие ком­мутирующих конденсаторов, так как коммутация тиристоров производится естественным путем (напряжением сети.)

К недостаткам рассмотренного преобразователя частоты относятся: 1) ограниченное регулирование выходной ча­стоты (от 0 до 40 % частоты сети); 2) сравнительно большое число силовых вентилей и сложная схема управления ими; 3) невысокий коэффициент мощности — максимальное зна­чение на входе преобразователя около 0,8).

Этот преобразова­тель может быть применен в случае использования тихоход­ного безредукторного привода, когда возникает необходи­мость в плавном регулировании угловой скорости (напри­мер, в приводе шаровых мельниц, где номинальная угловая скорость двигателя соответствует 12—15 Гц и регулируется вниз; при этом частота питающей сети составляет 50 Гц). Кроме того, данный тип преобразователя целесообразно применить для регулирования угловой скорости асинхрон­ного двигателя с фазным ротором, работающего в режиме двойного питания, когда статор его присоединен к сети, а ротор питается от той же сети через преобразователь частоты.
2 Статический преобразователь частоты с промежуточным

звеном постоянного тока
Широкое применение в АЭП имеет статический преобразователь частоты с проме­жуточным звеном постоянного тока, структурная схема ко­торого приведена на рисунке 3. Преобразователь состоит из двух силовых элементов — управляемого выпрямителя УВ и инвертора И. На вход УВ подается нерегулируемое на­пряжение переменного тока промышленной частоты; с вы­хода УВ постоянное регулируемое напряжение подается на инвертор И, который преобразует постоянное напряжение в переменное регулируемой амплитуды и частоты. Кроме двух силовых элементов, преобразователь содержит еще систему управления, состоящую из блока управления вы­прямителем БУВ и блока управления инвертором БУИ. Выходная частота регулируется в широких пределах и опре­деляется частотой коммутации тиристоров инвертора, кото­рая задается блоком управления инвертором БУИ. В такой схеме производится раздельное регулирование амплитуды и частоты выходного напряжения, что позволяет осущест­вить при помощи блока задания скорости БЗС требуемое соотношение между действующим значением напряжения и частотой на зажимах асинхронного двигателя.

Преобразователь с промежуточным звеном постоянного тока позволяет регулировать частоту как вверх, так и вниз от частоты питающей сети; он отличается высоким КПД (около 0,96), значительным быстродействием, малыми габаритами, сравнительно высокой надежностью и бесшумен в работе.





Рисунок 3 - Структурная схема статического преобразователя частоты с промежуточным эвеном постоянного тока: УВ — управляемый выпрямитель; И — инвертор; БУВ, БУН—соответ­ственно блок управления выпрямителей и инвертором; БЗС — блок задавания скорости
Примером принципиальной электрической схемы статического преобразователя частоты с промежуточным звеном постоян­ного тока, выполненного на тиристорах для привода неболь­шой мощности (до 5 кВт), может служить схема, приведен­ная на рисунке 4.

В качестве управляемого выпрямителя используются два тиристора (VS7 и VS8) и два диода (VD15 и VD16), включен­ные в так называемую полууправляемую мостовую схему для получения двухполупериодного выпрямленного напря­жения, среднее значение которого можно регулировать обычным способом, воздействуя на угол включения тиристоров VS7 и VS8.

Автономный инвертор напряжения (АBН) состоит из шести тиристоров (VS1 — VS6), шести последова­тельно включенных с ними диодов (VD9 — VD14) и шести дио­дов, включенных по трехфазной мостовой схеме (VD18 — VD3) и, наконец, шести колебательных контуров LС.

Преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное осуществляется коммутацией тиристоров VS1 — VS6, работающих в определенной последовательности. Время открытого состояния каждого тиристора составляет 2/3 полупериода выходного напряжения (длительность откры­того состояния тиристоров равна 120°); последователь­ность включения тиристоров отвечает их нумерации по схеме, т.е. сначала включается VS1, через 60° включается VS2 и т. д. до VS6. После VS6 вновь VS1 и т. д. через каждую 1/6 периода выходного напряжения. В каждый момент времени вне коммутации открыты одновременно два тиристора. Включение тиристоров осуществляется подачей положи­тельного импульса на управляющий электрод от БУИ. Для выключения тиристоров необходимо ток, протекающий через него, довести до нуля. Это достигается с помощью коммутирующих контуров LС; например, при включении VSЗ через ранее открытый V1 происходит разряд конденса­тора С и VS1 закрывается.

Рисунок 4 - Схема статического преобразователя частоты с промежуточ­ным звеном постоянного тока.
Выходное напряжение при чисто активной нагрузке имеет ступенчатую форму (рис.5), и длительность каж­дой ступени соответствует 1/6 периода выходного напряже­ния.

Рисунок 5 - Форма выходного на­пряжения при чисто активной нагрузке
Диоды VD9…VD14 служат для отделения коммутирующих конденсаторов от нагрузки, что дает возможность сущест­венно снизить их емкость по сравнению с обычным парал­лельным инвертором. Через мост VD18… VD23 реактивная энергия двигателя возвращается конденсатору С1. Напряжение на выходе инвертора регулируется изменением напря­жения на его входе — управляемым выпрямителем, а часто­та — изменением частоты подачи импульсов на тиристоры.

Достоинствами однофазной схемы выпрямления явля­ется меньшее количество тиристоров по сравнению с трех­фазной схемой выпрямления, а также более простое управ­ление, что снижает стоимость преобразователя. Поэтому при небольшой мощности привода и малом диапазоне регу­лирования напряжения целесообразно использовать одно­фазный выпрямитель, хотя пульсации выпрямленного на­пряжения получаются довольно большими, что требует применения сглаживающего реактора значительной индук­тивности.

Для преобразователей большей мощности с относительно большим диапазоном регулирования выпрямленного напряжения (до 20 : 1) используются трех­фазный полностью управляемый выпрямитель, обычно вы­полняемый по мостовой схеме.

При больших диапазонах регулирования напряжения целесообразно для средней мощности преобразователя (до 20 кВт) применять мостовую схему с трехфазным полу­управляемым выпрямителем, который содержит три тиристора и три диода. В данном случае схема оказывается более простой по сравнению с полностью управляемым вы­прямителем.


  1. Преобразователь частоты с инвертором, работающим по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ)


В тех случаях, когда инвертор питается от сети постоян­ного тока или от неуправляемого выпрямителя, применяется широтно-импульсный регулятор (ШИР) напряже­ния.

Системы с ШИР могут обеспечить большой диапазон ре­гулирования выходного напряжения и позволяют умень­шить габариты фильтрующих устройств. Питание инвер­тора от неуправляемого выпрямителя через ШИР позволяет получить высокий коэффициент мощности на входе преобра­зователя частоты во всем диапазоне регулирования. Недо­статками преобразователя частоты с ШИР на входе ин­вертора являются необходимость установки силового тиристора, рассчитанного на всю мощность, потребляемую ин­вертором, снижение КПД преобразователя из-за дополни­тельного преобразования энергии (потери мощности в ШИР), усложнение схемы преобразователя и снижение его надеж­ности, поэтому ШИР на входе инвертора используется в ос­новном только при наличии сети постоянного тока.

В случае применения в преобразователях частоты авто­номных инверторов напряжения с фазной или индивидуаль­ной коммутацией тиристоров или транзисторных инверто­ров можно совместить в самом инверторе функции инверти­рования и регулирования напряжения методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Такие тиристорные инверторы и их системы управления существенно сложнее рассмотрен­ных инверторов с межфазной коммутацией, а КПД их ниже из-за повышенных потерь, связанных с высокой часто­той коммутации тиристоров.

Несмотря на этот недостаток инверторы с индивиду­альной и фазовой коммутацией тиристоров (и транзистор­ные) используются в весьма перспективных преобразовате­лях частоты с инверторами с ШИМ, применяемых в приво­дах с глубоким регулированием скорости. Отличитель­ной особенностью этих инверторов является не только возможность регулирования в них как напряжения, так и частоты от нуля до номинального значения, но и полу­чение формы выходного тока, близкой к синусоидальной. Это позволяет в таких системах обеспечить весьма широкий диапазон регулирования угловой скорости асинхронного двигателя и уменьшить потери в нем от высших гармоник напряжения. При использовании инверторов с ШИМ отпа­дает необходимость в источнике регулируемого выпрям­ленного напряжения, что упрощает силовую схему и позво­ляет получить коэффициент мощности преобразователя, близкий к единице.

Простейшая схема трехфазного преобразователя частоты с инвертором, работающим по принципу ШИМ, приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Принципиальная электрическая схема трехфазного преобразователя частота с инвертором, работающим по принципу ШИМ
Преобразователь состоит из мостового неуправ­ляемого выпрямителя (VD7 — VD12) и автономного инвертора из шести тиристоров (VS1 — VS6) и шести обратных диодов (VD1 — VD6), предназначенных для передачи реактивной мощности от двигателя М к конденсатору С. Конденсаторы С1 — С6 и реакторы L1 — L3 осуществляют коммутацию тиристоров. Выходное напряжение также регулируется от нуля до максимального значения, определяемого постоянным напряжением на входе инвер­тора.

Инверторы с ШИМ могут найти широкое применение в си­стемах электроснабжения, имеющих питающую сеть посто­янного тока, где к тому же может быть использовано реку­перативное торможение.

В последнее время в связи с разработкой более мощных транзисторов, рассчитанных на напряжение до 3000 В и на ток в несколько десятков и даже сотен ампер, стало воз­можным производство транзисторных преобразователей ча­стоты. На рисунке 7 представлена принципиальная силовая схема преобразователя частоты на транзисторах с промежуточным звеном постоянного тока и с ШИР. Напряжение от неуправ­ляемого мостового выпрямителя регулируется ШИР, выполненным с помощью транзистора VT1, затем через фильтр LС подается па инвертор.

Рисунок 7 - Принципиальная силовая схема преобразователя частоты на транзисторах с промежуточным звеном постоянного тока
Транзисторный преобразователь частоты более экономичен и надежен, чем тиристорный, из-за меньшего числа переключающих элементов. Эти пре­образователи могут выполняться и с инверторами с ШИМ. Транзисторные преобразователи частоты для регулируе­мых электроприводов малой и средней мощности являются более перспективными, чем тиристорные.

При использовании преобразова­телей частоты по рассмотренным схемам допу­стим только двигательный режим работы привода и дина­мическое торможение. Торможение противовключением в схемах с преобразователями частоты обычно не использу­ется из-за больших токов (необходимо усложнять схему).


Лекция 15

Энергосбережение в АЭП
Вопросы

  1. Общие вопросы энергосбережения

  2. Способы повышения КПД и коэффициента мощности АЭП

  3. Снижение потерь энергии в переходных режимах

  4. Энергосбережение в регулируемом АЭП




    1. Общие вопросы энергосбережения


Энергосбережение — это комплекс правовых, технических и экономических мер, направленных на эффективное использование энергетических ресурсов. В соответствии с Федеральным законом РФ «Об энергосбережении» на промышленном предприятии должны быть разработаны мероприятия по экономии электроэнергии применительно к каждой электроустановке. В первую очередь это относится к устройствам с электрическим приводом, основной элемент которого электродвигатель. Известно, что более половины всей производимой в мире электроэнергии потребляется электродвигателями в электроприводах рабочих машин, механизмов, транспортных средств. Поэтому меры по экономии электроэнергии в электроприводах наиболее актуальны.

Основные положения энергосбере­жения регламентированы государ-ственными стандартами РФ:

ГОСТ Р 51379—99. Энергосбережение. Энергетический паспорт промышленного потребителя топливно-энергетических ре­сурсов.

ГОСТ Р 31380—99. Энергосбережение. Методы подтверждения соответствия по­казателей энергетической эффективности энергопотребляющей продукции их нор­мативным значениям. Общие требования.

ГОСТР 51387—99. Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение.

ГОСТР 51541-99. Энергосбережение. Энергетическая эффективность. Состав показателей.

Задачи энергосбережения требуют оптимального решения не только в процессе эксплуатации электрических машин, но и при их проектировании.


    1. Способы повышения КПД и коэффициента мощности АЭП


При проектировании и эксплуатации разного рода электроприводов необходимо учитывать потребление и потери электроэнергии, влияние ЭП на сеть и другие электроприемники. Оценка этих свойств осуществляется с помощью так называемых энергетических показателей: коэффициента полезного действия, коэффициента мощности, потерь мощности и энергии.

С целью уменьшения потерь энергии в период пуска или торможения двигатели к рабочим машинам подбирают таким образом, чтобы приведенный момент инерции привода при одной и той же скорости был наименьшим. Это реализуется за счет применения малогабаритных двигателей, имеющих пониженный J (двигатели с повышенным отношением длинны якоря к его диаметру, с полым или дисковым якорем). Целесообразно использование двух двигателей половинной мощности. Расчеты показывают; что ?J двух двигателей половинной мощности оказывается меньше момента инерции одного двигателя на полную мощность. Например, два двигателя типа 4АН200 мощностью по 45 кВт имеющий суммарный момент инерции 2·1,38=2,76 кг·м2. Двигатель 4АН250 мощностью 90 кВт на ту же скорость имеет j=3,53 кг·м2, т.е. почти на 30% больше.

Другой способ уменьшения потерь ЭП – регулирование скорости идеального холостого хода, что хорошо реализуется в ступенчатом пуске ЭП (для АД – регулирование частоты вращения с помощью частоты питающего тока или числа пар полюсов; для ДПТ – регулирование частоты вращения с помощью напряжения).

При ступенчатом пуске отмечается снижение потерь электрической энергии в 2 раза.

За счет изменения в переходном процессе 0 снижаются потери энергии в роторе АД. Уменьшение потерь энергии в роторе вызовет и снижение потерь в статоре и полных потерь в АД. Приведенный момент инерции ЭП зависит не только от момента инерции двигателя или рабочей машины, но и от передачи отношения между ними. Для уменьшение потерь энергии при пуске, передаточное отношение – i следует выбирать исходя из получения минимального приведенного момента инерции ЭП и проверять экономическим расчетом.

КПД ЭП, как электромеханическая система определяется произведением преобразователя, управляющего устройства, электродвигателя и механической передачи ?эп=?п·?уу·?эд·?мп.

Наиболее значимой величиной является КПД двигателя, который растет с увеличением мощности и частоты вращения.

КПД зависит также от развиваемой им полезной механической мощности на валу (рис. 1).

Работа ЭП, как и любого другого потребителя характеризуется коэффициентом мощности

сos =.

Если Q не потребляется, то сos=1. Потребляя Q ЭП дополнительно загружает систему электроснабжения, вызывая дополнительные потери напряжения и энергии, поэтому cos должен стремится к единице. Достаточно часто, коэффициент мощности повышают компенсацией реактивной мощности статическими конденсаторами (в данном случае реактивная мощность для создания электромагнитного поля осуществляется от конденсаторов, расположенных непосредственно у АД).


Рисунок 1 – Зависимость КПД и коэффициента мощности электродвигателя от кратности нагрузки




Способы повышения КПД и коэффициента мощности ЭП:

- ограничение времени работы на холостом ходу;




    1. Снижение потерь энергии в переходных режимах


В процессе эксплуатации двигателя значительные потери энергии наблю­даются в переходных режимах и в пер­вую очередь при его пуске.

Потери энергии в переходных ре­жимах могут быть заметно снижены за счет применения двигателей с мень­шими значениями моментов инерции ротора, что достигается уменьшени­ем диаметра ротора при одновремен­ном увеличении его длины, так как мощность двигателя при этом должна оставаться неизменной. Например, так сделано в двигателях краново-металлургических серий, предназначенных для работы в повторно-кратковремен­ном режиме с большим числом включений в час.

Эффективным средством снижения потерь при пуске двигателей является пуск при постепенном повышении на­пряжения, подводимого к обмотке статора.

Такой энергосберегающий способ пуска двигателя возможен только при работе двигателя в системе с регули­руемым преобразователем: для асинх­ронных двигателей это устройства плавного пуска или преоб­разователи частоты, а для двигателей постоянного тока это элек­тронные (тиристорные) устройства управления.

Энергия, расходуемая при тормо­жении двигателя, равна кинетической энергии, запасенной в движущихся частях электропривода при его пуске. Энергосберегающий эффект при тор­можении зависит от способа торможе­ния. Наибольший энергосберегающий эффект происходит при генераторном рекуперативном торможении с отдачей энергии в сеть. При ди­намическом торможении двигатель от­ключается от сети, запасенная энер­гия рассеивается в двигателе и расхо­да энергии из сети не происходит. Наи­большие потери энергии наблюдаются при торможении противовключением, когда расход электроэнергии ра­вен трехкратному значению энергии, рассеиваемой в двигателе при дина­мическом торможении.

При установившемся режиме рабо­ты двигателя с номинальной нагруз­кой потери энергии определяются номинальным значением КПД. Но если электропривод работает с пере­менной нагрузкой, то в периоды спа­да нагрузки КПД двигателя понижа­ется, что ведет к росту потерь. Эффек­тивным средством энергосбережения в этом случае является снижение на­пряжения, подводимого к двигателю в периоды его работы с недогрузкой.

Рассмотрим принципы построения ЭП, в котором минимизирует­ся потребляемый АД ток и тем самым потери электроэнергии в нем. Для этого обратимся к зависимостям тока статора I1 от напряжения U1 (рис. 2) при разных моментах нагрузки Мc. Как видно из графи­ков 1...4, для каждого момента имеется такое напряжение, при котором потребляемый АД ток из сети минимален. Штриховая линия, проведен­ная через точки минимумов тока для каждой нагрузки, определяет закон регулирования напряжения в функции тока, при реализации которого при любом Мc из сети потребляется минимальный ток.

Рисунок 2 – Вольтамперные характеристики и функциональная схема минимизирующая потребление электроэнергии
Схема ЭП с минимизацией потребляемого двигателем тока включает в себя двигатель 4, регулятор напря­жения 3 с СИФУ 2, датчики тока 5 и напряжения 6, функциональный преобразователь 7, инерционное звено 8 и элемент сравнения 1.

Требуемый закон управления ЭП реализуется с помощью поло­жительной обратной связи по току. Трехфазный датчик 5 выраба­тывает пропорциональный току сигнал, поступающий на вход фун­кционального преобразователя 7 который обеспечивает требуемую зависимость между напряжением на АД и моментом нагрузки на его валу (штриховая линия на рис. 2). C помощью инерционного звена 8 обеспечивается необходимое качество переходных процессов. Кроме минимизации потерь электроэнер­гии, простыми средствами в такой схеме осуществляется повыше­ние КПД и коэффициента мощности асинхронного ЭП.

Этот способ энергосбережения воз­можно реализовать при работе двига­теля в системе с регулируемым пре­образователем при наличии в нем об­ратной связи по току нагрузки. Сиг­нал обратной связи по току коррек­тирует сигнал управления преобразо­вателем, вызывая уменьшение напря­жения, подводимого к двигателю в пе­риоды снижения нагрузки. Если же приводным является асинхронный двигатель, работающий при соедине­нии обмоток статора «треугольником», то снижение подводимого к фазным обмоткам напряжения можно легко реализовать путем переключения этих обмоток на соединение «звездой», так как в этом случае фазное напряжение понижается в 1,73 раза. Этот метод целесообразен еще и потому, что при таком переключении повышается ко­эффициент мощности, что также способствует энергосбере­жению. Из справочной литературы следу­ет, что при переключении обмоток с «треугольника» на «звезду» при сниже­нии нагрузки до 50% относительно номинальной коэффициент мощности возрастает более чем на 20%. Приме­ром практического применения этого способа энергосбережения может слу­жить электропривод с асинхронным двигателем, работающий в условиях значительных колебаний нагрузки.

Схема, приведенная на (рис.3), по­зволяет с помощью двух реле тока КА1 и КА2, катушки которых включены после­довательно в фазные обмотки статора че­рез измерительные трансформаторы тока ТА1 и ТА2, автоматизировать переключе­ние обмотки статора с «треугольника» на «звезду» при снижении нагрузки двигате­ля на 40—50% относительно номиналь­ной и обратное переключение при восста­новлении нагрузки.

При нажатии кнопки SВ1 «Пуск» вклю­чается силовой контактор КМ1, линейные контакты которого подключают двигатель к сети. Контактор КМ2 в начальный мо­мент пуска остается невключенным и сво­ими размыкающимися контактами соеди­няет обмотку статора «звездой». Но как только начинается пуск двигателя, значи­тельный пусковой ток статора вызывает срабатывание реле тока КА2. При этом контактор КМ2 своими замыкающими контактами переключает обмотку статора «треугольником». Реле тока КА1 срабатывает, и двига­тель переходит в рабочий режим.


Рисунок 3 – Схема автоматического переключения обмотки статора асинхронного двигателя с «треугольника» на «звезду»
Если нагрузка двигателя снизится до значения Р2< 0,5Рном , то реле тока КА1 отпустит и своими контактами отключит контактор КМ2, что приведет к пересоединению обмотки статора с «треугольни­ка» на «звезду». При этом двигатель будет продолжать работу при повышенном зна­чении коэффициента мощности. Если же нагрузка двигателя вновь возрастет до зна­чения Р2> 0,5Рном, то произойдет пере­ключение обмотки статора со «звезды» на «треугольник».


    1. Энергосбережение в регулируемом АЭП


Применение регулируемого ЭП позволяет обеспечить энергосбе­режение в целом ряде технологических процессов, иногда во много раз превосходящее экономию энергии в самом ЭП. Например, регу­лирование скорости ленты транспортера с помощью ЭП, подающего детали в закалочную печь, позволяет минимизировать количество теп­ловой энергии на закалку в зависимости от их сортамента, технологии закалки и других факторов. Весьма эффективно регулируемый по ско­рости ЭП может обеспечить энергосбережение в таких рабочих маши­нах, как насосы, вентиляторы и компрессоры. Поскольку эти рабочие машины являются очень распространенными в промышленности, на транспорте, в сельском и жилищно-коммунальном хозяйствах и по­требляют до 40% всей производимой электроэнергии, энергосбереже­ние в этом случае оказывается очень эффективным. Рассмотрим эффект энергосбережения на примере ЭП центробежного насоса. Ос­новной характеристикой на­соса является зависимость со­здаваемого им напора (давле­ния) Н от расхода воды Q (рис. 4). На рисунке представлены характери­стики H=f(Q) для двух скоро­стей приводного двигателя: номинальной (характеристика 1) и понижен­ной (характеристика 2).



Рисунок 4 – Характеристики насосного агрегата
Особенностью работы большинства насосных установок явля­ется изменение количества (расхода) подаваемой ими жидкости в течение времени. Например, потребление воды в жилых зданиях ме­няется в течении суток и имеет два максимума - утренний и вечер­ний. Допустим, что в исходном положении насос работал с номи­нальными расходом Qном и напором Нном в точке 1. При снижении расхода воды до значения Q2 при неизменной скорости ЭП напор в соответствии с характеристикой возрастет до значения Н2.

Но, тот же расход воды можно обеспечить при меньшем напоре Н1, если с помощью ЭП снизить скорость двигателя до уровня, характеризующегося характеристикой 2. В этом случае из сети будет потребляться меньшая мощность.

Примеры использования регулируемого ЭП насосов показыва­ют, что экономия электроэнергии может доходить до 50% и более в зависимости от вида и режимов работы насосных установок. Кро­ме того, при работе сетей с меньшими напорами значительно мень­ше утечки воды в сетях и арматуре (на 15...20% и более). В насосах с ЭП переменного тока при регулировании скорости двигателей обычно применяются статические преобразователи частоты.

Если электропривод не подвержен значительным регулиров­кам частоты вращения, частым пус­кам, реверсам и т.п., то повышенные затраты на тиристорное либо другое дорогостоящее оборудование могут оказаться неоправданными, а расхо­ды, связанные с потерями энергии — незначительными. И наоборот, при интенсивной эксплуатации электро­привода в переходных режимах при­менение электронных пускорегулиру­ющих устройств становится целесообразным. К тому же следует иметь в виду, что эти устройства практически не нуждаются в уходе и их технико-экономические показатели, включая надежность, достаточно высоки. Не­обходимо, чтобы решение по приме­нению дорогостоящих устройств элек­тропривода подтверждалось технико-экономическими расчетами.

Известно, что электрические поте­ри в питающих сетях и обмотках элек­трических машин пропорциональны квадрату тока (Рэл = I2R). По этой при­чине желательно электропитание дви­гателей от сети с более высоким на­пряжением, так как при заданной мощности применение более высоко­го напряжения сопровождается умень­шением силы тока и, следовательно, сокращением потерь. Поэтому для низ­ковольтных двигателей целесообразно применение напряжения 440 В (для двигателей постоянного тока) или 660 В (для двигателей переменного тока). Что же касается двигателей мощ­ностью 500 кВт и более, то они обыч­но рассчитаны на напряжение 6000 или 10000 В.

Решению проблемы энергосбереже­ния способствует применение синх­ронных двигателей, создающих в пи­тающей сети реактивные токи, опере­жающие по фазе напряжение. В итоге сеть разгружается от реактив­ной (индуктивной) составляющей то­ка, повышается коэффициент мощно­сти на данном участке сети, что ведет к уменьшению тока в этой сети и, как следствие, к энергосбережению. Эти же цели преследует включение в сеть синхронных компенсаторов.

Примером целесообразного приме­нения синхронных двигателей являет­ся электропривод компрессорных ус­тановок, снабжающих предприятие сжатым воздухом. Для этого электропривода характерен пуск при небольшой нагрузке на валу, продолжительный режим работы при стабильной нагруз­ке, отсутствие торможений и реверсов. Такой режим работы вполне соответ­ствует свойствам синхронных двигате­лей. Используя в синхронном двига­теле режим перевозбуждения, можно достичь значительного энергосбереже­ния в масштабе всего предприятия.

С аналогичной целью применяют силовые конденсаторные установки («косинусные» конденсаторы). Созда­вая в сети ток, опережающий по фазе напряжение, эти установки частично компенсируют индуктивные (отстаю-

щие по фазе) токи, что ведет к повы­шению коэффициента мощности сети, а следовательно, к энергосбережению. Наиболее эффективным является при­менение конденсаторных установок типа УКМ 58 с автоматическим под­держанием заданного значения коэф­фициента мощности и со ступенчатым изменением реактивной мощности в диапазоне от 20 до 603 квар при на­пряжении 400 В.

Необходимо помнить, что энерго­сбережение направлено на решение не только экономических, но и экологи­ческих проблем, связанных с производством электроэнергии.

Содержание
Лекция 1 . Классификация, структура автоматизированных

электроприводов (АЭП) …….………………………………4

Лекция 2. Регулирование координат ЭП………………………..8

Лекция 3. Пускозащитная аппаратура управления

разомкнутых электроприводов ……………………….…….19

Лекция 4. Средства управления разомкнутых электроприводов …….27

Лекция 5. Аварийные режимы и средства защиты в ЭП ………………36

Лекция 6. Специальные виды защит ……………………..…………….45


Лекция 7. Типовые узлы и схемы управления ЭП с

двигателями ПТ ……………………….…………….55

Лекция 8. Типовые узлы и схемы управления ЭП с

асинхронными двигателям …………..……………………..60


Лекция 9. Автоматизированный ЭП с синхронными

электродвигателями ……………………………………..…..68

Лекция 10. Технические средства замкнутых схем

управления АЭП …………………………………….……….74

Лекция 11. Замкнутые схемы управления АЭП с ДПТ …………...…86

Лекция 12. Замкнутые схемы управления электроприводов с

двигателями переменного тока ………………………..…...93

Лекция 13. Электромашинные преобразователи частоты ………….….98

Лекция 14. Статические преобразователи частоты ………..…………104

Лекция 15. Энергосбережение в АЭП ………………………………..…112


Литература

1. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода (ЭП).-6-е изд. -М.: Энергоиздат, 1981. – 576 с.

2. Москаленко В.В. Электрический привод - М.: Мастерство; Высшая школа, 2001. – 368 с.

3. Москаленко В.В. Электрический привод: Учебник для электротехн. спец. -М.: Высш. шк., 1991. – 430 с.

4. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева, А.В. Шиянского.-М.: Энергоатомиздат,1983. – 616 с.

5. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: Учебник для вузов.-М.:Энергоатомиздат, 1986.- 416 с.

6. Ключев В.И. Теория электропривода. - М.:Энергоатомиздат, 1998.-704 с.

7. ГОСТ Р 50369 –92. Электроприводы. Термины и определения. Госстандарт России.

8. Справочник инженера – электрика с.-х. производства / Учебное пособие.-М.: Информагротех, 1999.-569 с.

9. Методические указания к выполнению лабораторных работ по автоматизированному электроприводу для студентов факультета электрификации с.х. / Ставрополь, СтГАУ, «АГРУС», 2005. – 45с.

10. Савченко П.И. Практикум по электроприводу в с.х. – М.: Колос, 1996.-224с.

11. Кацман М.М. Справочник по электрическим машинам –М.: Издательский центр «Академия», 2005.-480с.

12. Кобозев В.А. Энергосбережение в силовом электрооборудовании сельскохозяйственного производства: Монография. – Ставрополь: Изд-во СтГАУ «АГРУС», 2004. -280 с.

Рекомендуемые сайты в Internet:

www.privod.ru www.owen.ru www.kipservis.ru


Для заметок


Для заметок


Для заметок


1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


Лекция 11
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации